Глава 6. С чего начать свой первый проект?

Во многом это будет зависеть от двух основных факторов – сферы интересов и оснащенности рабочего места. Я не советую начинать практическую деятельность с нужных, но не интересных вам предметов. Если вас в принципе не интересуют цифровые устройства, то просто запомните, что они есть, что есть множество книг по предмету, но не старайтесь чтото сделать для понимания даже основ работы с этими устройствами. Прежде, чем вы правильно спаяете ваше первое устройство, вы можете так разочароваться, что первое устройство станет и последним. Даже такое простое действо, как пайка, требует практических навыков.

Я не готов угадать, что интересно именно вам, но постараюсь в этой главе реализовать несколько разнородных проектов посильных для повторения начинающими. Это не будут конкретные схемы для повторения с наилучшими результатами, это будут именно проекты по созданию своей первой схемы.

Задумав книгу, я посчитал полезным обратиться на радиолюбительском сайте к начинающим радиолюбителям с просьбой помочь мне определиться в том, что интересно сегодня любителям? Мне показалась интересной сама мысль об интерактивном создании книги, содержание и стиль которой определили бы те, для кого она создается, а в технологии написания использовались современные средства коммуникации, такие как Интернет. Однако пока нашелся только один доброволец. К интерактивной работе с ним я приступаю.

Александр, вы спрашиваете, действительно ли, используя источник питания 12 В, можно от усилителя мощности получить не больше 5 Вт? Если я правильно понял вопрос, и ничего не перепутал, то давайте посмотрим, так ли это в первом проекте, который назовем «Усилитель мощности».

Усилитель мощности

В области звукоусиления есть несколько специфических функциональных названий усилителей. Есть специализированные усилители для отдельных источников сигналов. Например, микрофонный усилитель, или предварительный усилитель, или усилителькорректор для звукоснимателя. Есть специализированные устройства, такие как микшер или эквалайзер. Все они находятся между источником сигнала и оконечным усилителем. Его задача – подготовить преобразование электрического напряжения от источника сигнала в звук. Подобное преобразование, если в качестве излучателя звука выступают не наушники, требует определенной мощности. Поэтому лучше такой усилитель называть усилителем мощности, даже если эта мощность невелика. Чаще даже уточняют в названии область применения такого усилителя – усилитель мощности звуковой частоты. Это справедливое уточнение, поскольку усилитель мощности может быть и в устройстве, работающем на ультразвуковых частотах, и на радио частотах и т.д. Схемные решения могут быть схожи, но требования к устройствам отличаются весьма значительно. Можно рассматривать типовые схемы, детально разбирая их особенности, но мне хочется подойти к этому проекту иначе.

Итак. Оконечный усилитель низкой частоты в своей сущности это усилитель и не более того. Схема усилителя на транзисторе приводилась выше. Попробуем использовать ее. Если мощности не хватит, возьмем транзистор мощнее, сегодня нет недостатка в транзисторах любых типов. В коллекторную цепь транзистора включим наш громкоговоритель. Получится нечто в следующем роде.

Рис. 6.1. Первая схема усилителя мощности низкой частоты

Если не обращать внимание на некоторые искажения в нижней части осциллограммы, то все выглядит не так уж плохо. Искажения в нижней части свидетельствуют о том, что транзистор полностью открывается при напряжении сигнала на входе 60 мВ и не может повторить форму входного сигнала. Попробуем уменьшать входной сигнал до тех пор, пока сигнал на выходе не станет больше походить на синусоиду.

Рис. 6.2. Уменьшение входного сигнала для уменьшения искажений

Сигнал выглядит совсем не плохо. Входное напряжение пришлось уменьшить до 1 мВ, а выходное напряжение (амплитуда) уменьшилось до 200-250 мВ. Это, пожалуй, не интересно. Проверим, не получим ли мы лучший результат, если из набора моделей возьмем не абстрактный транзистор, а достаточно мощный. Например, BF720, у которого допустимая мощность рассеивания 1.5 Вт. Входное напряжение пришлось увеличить до 2.5 В, это не

страшно, но результат не слишком впечатляет.

Рис. 6.3. Замена транзистора на более мощный

Выходное напряжение увеличилось до 0.6-0.7 В, но хотелось бы иметь его похожим на то, что было на рисунке 6.1. Это давало бы максимальную мощность в нагрузке. Хорошо, мощный транзистор не помог. Но есть и другие способы улучшения сигнала на выходе. Я много говорил о пользе отрицательной обратной связи. Что если ввести ее в наш усилитель? Добавим в эмиттерную цепь мощного транзистора резистор 1 Ом.

Рис. 6.4. Введение отрицательной обратной связи

Хотя искажения заметны «на глаз», но это можно подправить, а сигнал на выходе вырос почти до 1.5 В. Отрицательная обратная связь помогла. Для верности я даже включил вольтметр параллельно резистору нагрузки. Но это, все-таки, не совсем то, что хотелось бы.

Мощность. Мощность – это напряжение, умноженное на ток. Я даже не хочу измерять ток, поскольку ток будет равен напряжению, деленному на сопротивление. В итоге: P=U2/R. Здесь напряжение – действующее значение, которое, примерно, в полтора раза меньше амплитудного, равного 1.5 В. И мощность получается около 200 мВт. Это даже не 5 Вт. Далеко не 5 Вт!

Часть мощности, насколько я понимаю, рассеивается на резисторе обратной связи, которое я включил в цепь эмиттера транзистора, и обогревает окружающую среду. Но обратная связь улучшила параметры усилителя, отказываться от нее не хочется. А что, если вместо резистора обратной связи включить в эмиттерную цепь транзистора сам громкоговоритель. По идее действие отрицательной обратной связи должно еще больше сказываться на параметрах усилителя в сторону их улучшения, а мощность будет расходоваться на получение звука, а не на обогрев. Стоит попробовать.

Предварительно хочу отметить, что громкоговоритель, присутствующий во всех схемах, я рассматриваю как активное сопротивление, величину которого можно измерить мультиметром, включенным в режим измерения сопротивления. Почему я так поступаю, я попробую объяснить несколько позже, когда, и если, удастся справиться с задачей получения подходящей мощности усилителя.

Рис. 6.5. Включение нагрузки в цепь эмиттера выходного транзистора

Все. Моя фантазия иссякла. Что придумать еще я не знаю. Кстати, подобная схема включения транзистора называется включением транзистора с общим коллектором. Дело в том, что сопротивление источника питания сигналу от генератора V2 очень мало. Можно считать, что по отношению к сигналу общий провод, к которому подключен второй вывод генератора, эквивалентен плюсу источника питания, как если бы генератор был вторым концом подключен к коллектору транзистора.

Выходное сопротивление каскада с общим коллектором понижается, входное сопротивление увеличивается (по сравнению с включением транзистора с общим эмиттером), усиление по напряжению меньше единицы. Вполне оправдано было мое решение применить эту схему включения, поскольку нагрузка транзистора низкоомная, а для согласования выходного сопротивления усилителя и нагрузки выходное сопротивление следовало уменьшить.

Есть еще одна неприятность, которую я старательно «замалчиваю». Я даже не стал измерять ток, а рассчитал его при определении мощности. Именно ток меня и смущает. Есть сигнал, нет сигнала, ток через громкоговоритель будет протекать. А проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет двигаться, пока его не уравновесят другие силы. В применении к громкоговорителю эта неприятность выглядит так: диффузор громкоговорителя, соединенный с катушкой в поле постоянного магнита, будет втянут (или выдвинется) насколько хватит возможностей его подвески. И больше он перемещаться в эту сторону почти не сможет, не сможет повторять синусоидальное изменение сигнала, то есть, мы получим нелинейные искажения, но уже по звуковому давлению. Есть решение этой

проблемы, как отделить постоянный ток мы знаем – поставить конденсатор. Это так. Но нам придется оставить резистор нагрузки транзистора и к нему через конденсатор подключить громкоговоритель. В этом случае для сигнала, а именно он нас интересует, сопротивление нагрузки выходного каскада уменьшится вдовое (параллельно включены резистор нагрузки и громкоговоритель по 5 Ом). Можно пытаться увеличивать сопротивление нагрузки, чтобы как-то поправить положение, но, боюсь, все, чего мы достигли, может оказаться «за бортом». Вот о такой неприятности я старался не думать.

Может быть зря старался? В конце-концов, я могу и ошибаться в своих рассуждениях. Я вообще могу все понимать неверно. Есть единственный судья, который может решить все сомнения – эксперимент. Добавим к схеме еще один резистор в качестве громкоговорителя и конденсатор большой емкости. Это не долго.

Рис. 6.6. Устранение влияния постоянного тока на громкоговоритель

Что ж, может быть я неправильно все понимаю, может быть я ошибался, но большего мне получить не удалось. Увы!

А, впрочем, может и не напрасно я проводил последний эксперимент. Он натолкнул меня на мысль попробовать заменить пассивный обогреватель воздуха в лице резистора R3 на чтото более полезное. Идея такова: транзистор и обогреватель воздуха R3 образуют, в сущности, делитель напряжения источника питания. При этом транзистор можно рассматривать как резистор, меняющий свое сопротивление в соответствии с законом изменения напряжения сигнала. А резистор R3, хотя он и активное сопротивление, но по отношению к сигналу ведет себя абсолютно пассивно. Что если заставить и его меняться по закону сигнала! То есть, если

вместо резистора R3 включить еще один транзистор? Отчего бы не попробовать?!

Схему включения транзистора я менять не буду, оставлю включение с общим коллектором. А транзистор для симметрии возьму другого типа, p-n-p. В итоге должно получиться чтонибудь похожее на следующее:

Рис. 6.7. Схема усилителя мощности с транзисторами разного типа

Вот теперь можно считать мощность. Есть что посчитать. И, конечно, я не придумал эту схему, я ее знал еще со студенческих лет, а может и раньше. Когда-то такое включение двух активных элементов в выходном каскаде называли схемой «пуш-пул», тяни-толкай (в прямом переводе толкай-тяни, но мне запомнилось, как я написал). Если не обращать внимание на небольшие искажения вершин, можно несколько уменьшить входной сигнал, то интерес в данном случае следует проявить к току через транзисторы в отсутствии сигнала. Включите амперметр в коллектор транзистора T1 или T2, хотя бы ради любопытства, попробуйте менять величину резисторов R1R5, результаты весьма впечатляют. Наши транзисторы могут в отсутствии сигнала потреблять очень маленький ток. Значит, они не будут греться на «холостом ходу», и не будут потреблять лишний ток, например, от батарейки!

Обычно выходной каскад настраивают с помощью делителя R1R5 так, чтобы в отсутствии сигнала напряжение на эмиттерах транзисторов было равно половине питающего напряжения. Амплитуда выходного сигнала не может превысить это значение – транзисторы не генерируют питающее напряжение, они образуют управляемый сигналом делитель напряжения питания от источника V1.

Есть еще одна особенность, на которую следует обратить внимание. На отметке нуля вольт

выходной сигнал, пересекая эту нулевую границу, имеет характерное искажение очень точно называемое «ступенькой». Это искажение сигнала обусловлено тем, что оба транзистора в отсутствии сигнала (сигнал имеет напряжение равное нулю) не имеют смещения на базе. Чтобы устранить ступеньку в реальных схемах используют два решения. Первое, там где качество воспроизведения звука не очень актуально, применяют глубокую отрицательную обратную связь всего усилителя мощности. Второе решение – задание некоторого начального смещения (напряжения база-эмиттера) за счет введения дополнительных элементов в схему.

Я пока не буду этого делать. Хотя результат весьма неплох, но изначально вопрос звучал иначе. Напомню, задача получить мощность более 5 Вт при напряжении питания 12 В. Пока мощность, которая может быть получена от усилителя даже меньше 5 Вт. Есть по меньшей мере два решения, которые я знаю. Их может быть и больше, но и двух, я думаю пока хватит. Первое решение – это использовать преобразователь (конвертер) для превращения 12 В в, например, 24 В. Но о конвертере я хочу поговорить позже, это связано и с программой PSIM, а сейчас только «нарисую» второе решение, которое проще в выполнении.

Рис. 6.8. Мостовое включение нагрузки в УМЗЧ

Амплитуда сигнала, как видно из диаграммы, увеличилась почти до 12 В. Можно предположить, что действующее напряжение на нагрузке имеет порядок 8 В. А это соответствует мощности около 12 Вт. Один ответ, похоже, найден. Я использовал два источника сигнала, один из которых V3 имеет начальную фазу 180 градусов, то есть, включен противофазно первому V2. В реальной схеме, конечно, один источник сигнала, а противофазное включение достигается использованием соответствующих входов УМЗЧ, прямого и инверсного, или сигнал инвертируется для получения нужного эффекта.